结合实例谈音频信号研究仪硬件系统

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1、结合实例谈音频信号研究仪硬件系统【摘要】本系统利用FFT法对音频信号进行频谱分析，应用AT89C52芯片作为系统的核心。再配以采样保持、程控放大等功能模块，构成了一个简易音频信号分析仪硬件系统，该系统可以对信号进行采集，并进行数据的频域处理，然后通过按键控制可在LED数码管上显示功率和频率。【关键字】音频信号；单片机；采样保持；程控放大1音频信号分析仪系统1.1系统构成考虑到虚拟仪器技术的特点，音频信号分析仪利用虚拟仪器技术，采用虚拟仪器的构建方式。整个系统由信号采集、信号分析和信号显示输出三个部分组成

2、。1.2工作原理首先将信号采集到微处理器中并作预先处理，然后通过实时或延时方式实现上述各种数据分析，并将分析结果以图形方式输出或保存，从而实现整个系统的功能。1.3硬件设计本文所设计的音频信号分析仪硬件构成如图1所示。由此我们可以得到其硬件组成，在接下来的几个章节里将对整个硬件系统分模块进行分析。图1音频信号分析仪的硬件组成由上可知，输入信号通过程控放大后，由采样保持模块对信号进行采样，然后经过模数转换器，把模拟信号转换为数字信号后进行FFT变换，最后进行数据上的显示。2输入模块输入模块由程控放大器及偏

3、置两部分组成，下面将对其加以阐述。2.1程控放大模块由于一般的lOOmV-2V的电压。我们选择直通，也就是说信号没有衰减或者放大，但是若信号太小，8位的A/D转换器在2.5V参考电压的条件下的最小分辨力为lmV左右，所以如果选择直通的话其离散化处理的误差将会很大，所以若是采集到信号后发现其值太小，在20mV-250mV之间的话,我们可以将其认定为小信号，从而选择信号经过20倍增益的放大器后再进行A/D采样。这样一来可以大大提高了采样的精度。这里选用单边八通道多路开关CD4051和运算放大器CA741组成

4、程控增益放大器，可以通过程序控制多路开关CD4051的二进制控制输入端，切换多路开关。在设计中将采用单边八通道多路开关CD4051和运算放大器CA741组成程控增益放大器。2.2偏置电路这里采用的偏置电路是由运放LM358和电位器组成，LM358内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式，在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关。它的使用范围包括传感放大器，直流增益模块和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合。3单片机控制

5、电路由于单片机是整个音频信号分析仪系统的核心，所以设计中选择使用AT89C52作为控制的CPU单片机芯片OAT89C52有40个引脚，32个外部双向输入/输出(I/O)端口，同时内含2个外中断口，3个16位可编程定时计数器，2个全双工串行通信口，2个读写口线，AT89C52可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。4数据采集的实现要实现音频信号分析仪的功能，首先要解决的是数据釆集问题，然后经过A/D转

6、换芯片进行模数转换。在这里我们采用了LF398和AD7574芯片并对其加以讨论。4.1采样/保持器4.1.1概述模拟信号进行A/D转换时，从启动转换到转换结束输出数字量，需要一定的转换时间。在这个转换时间内，模拟信拟信号要基本保持不变。4.1.2采样/保持器的工作原理采样/保持器是一种具有信号输入、信号输出以及由外部指令控制的模拟门电路。它主要由模拟开关K、电容CH和缓冲放大器A组成，采样/保持器工作原理示意图如下图2所示。在tl时刻前，控制电路的驱动信号为高电平时，模拟开关K闭合，模拟输入信号Ui通过

7、模拟开关K加到电容CH上，使得电容CH端电压U1跟随模拟输入信号Ui变化而变化，这个时期称为跟踪（或叫采样）期。在tl时刻，驱动信号为低电平，模拟开关K断开，此时电容CH上的电压U1保持模拟开关断开瞬间的U1值不变并等待A/D转换器转换，这个时期称为保持期。在t2时刻，保持结束，新一个跟踪（采样）时刻到来，此时驱动信号又为高电平，模拟开关K重新闭合，电容CH端电压U1又跟随模拟输入信号Ui变化而变化，直到t3时刻驱动信号为低电平时，模拟开关K断开。采样/保持器是一种用逻辑电平控制其工作状态的器件，它具有

8、两个稳定的工作状态:1）跟踪状态在此期间它尽可能快地接收模拟输入信号，并精确地跟踪模拟输入信号的变化，一直到接到保持指令为止。2）保持状态对接收到保持指令前一瞬间的模拟输入信号进行保持。采样/保持器是在“保持”命令发出的瞬间进行采样，而在“跟踪”命令发出时，采样/保持器跟踪模拟输入量，为下次采样做准备。在数据采集系统中，采样/保持器主要起以下两种作用：